15 research outputs found
Active Training and Assistance Device for an Individually Adaptable Strength and Coordination Training
Das Altern der Weltbevölkerung, insbesondere in der westlichen Welt, stellt die Menschheit vor eine groĂe Herausforderung. Zu erwarten sind erhebliche Auswirkungen auf den Gesundheitssektor, der im Hinblick auf eine steigende Anzahl von Menschen mit altersbedingtem körperlichem und kognitivem Abbau und dem damit erhöhten BedĂŒrfnis einer individuellen Versorgung vor einer groĂen Aufgabe steht. Insbesondere im letzten Jahrhundert wurden viele wissenschaftliche Anstrengungen unternommen, um Ursache und Entwicklung altersbedingter Erkrankungen, ihr Voranschreiten und mögliche Behandlungen, zu verstehen.
Die derzeitigen Modelle zeigen, dass der entscheidende Faktor fĂŒr die Entwicklung solcher Krankheiten der Mangel an sensorischen und motorischen EinflĂŒssen ist, diese wiederum sind das Ergebnis verringerter MobilitĂ€t und immer weniger neuer Erfahrungen. Eine Vielzahl von Studien zeigt, dass erhöhte körperliche AktivitĂ€t einen positiven Effekt auf den Allgemeinzustand von Ă€lteren Erwachsenen mit leichten kognitiven BeeintrĂ€chtigungen und den Menschen in deren unmittelbarer Umgebung hat. Diese Arbeit zielt darauf ab, Ă€lteren Menschen die Möglichkeit zu bieten, eigenstĂ€ndig und sicher ein individuelles körperliches Training zu absolvieren.
In den letzten zwei Jahrzehnten hat die Forschung im Bereich der robotischen Bewegungsassistenten, auch Smarte Rollatoren genannt, den Fokus auf die sensorische und kognitive UnterstĂŒtzung fĂŒr Ă€ltere und eingeschrĂ€nkte Personen gesetzt. Durch zahlreiche BemĂŒhungen entstand eine Vielzahl von AnsĂ€tzen zur Mensch-Rollator-Interaktion, alle mit dem Ziel, Bewegung und Navigation innerhalb der Umgebung zu unterstĂŒtzen.
Aber trotz allem sind Trainingsmöglichkeiten zur motorischen Aktivierung mittels Smarter Rollatoren noch nicht erforscht.
Im Gegensatz zu manchen Smarten Rollatoren, die den Fokus auf Rehabilitationsmöglichkeiten fĂŒr eine bereits fortgeschrittene Krankheit setzen, zielt diese Arbeit darauf ab, kognitive BeeintrĂ€chtigungen in einem frĂŒhen Stadium soweit wie möglich zu verlangsamen, damit die körperliche und mentale Fitness des Nutzers so lang wie möglich aufrechterhalten bleibt.
Um die Idee eines solchen Trainings zu ĂŒberprĂŒfen, wurde ein Prototyp-GerĂ€t namens RoboTrainer-Prototyp entworfen, eine mobile Roboter-Plattform, die mit einem zusĂ€tzlichen Kraft-Momente-Sensor und einem Fahrradlenker als Eingabe-Schnittstelle ausgestattet wurde. Das Training beinhaltet vordefinierte Trainingspfade mit Markierungen am Boden, entlang derer der Nutzer das GerĂ€t navigieren soll. Der Prototyp benutzt eine Admittanzgleichung, um seine Geschwindigkeit anhand der Eingabe des Nutzers zu berechnen. Desweiteren leitet das GerĂ€t gezielte Regelungsaktionen bzw. VerhaltensĂ€nderungen des Roboters ein, um das Training herausfordernd zu gestalten.
Die Pilotstudie, die mit zehn Ă€lteren Erwachsenen mit beginnender Demenz durchgefĂŒhrt wurde, zeigte eine signifikante Steigerung ihrer InteraktionsfĂ€higkeit mit diesem GerĂ€t. Sie bewies ebenfalls den Nutzen von Regelungsaktionen, um die KomplexitĂ€t des Trainings stĂ€ndig neu anzupassen.
Obwohl diese Studie die DurchfĂŒhrbarkeit des Trainings zeigte, waren GrundflĂ€che und mechanische StabilitĂ€t des RoboTrainer-Prototyps suboptimal. Deswegen fokussiert sich der zweite Teil dieser Arbeit darauf, ein neues GerĂ€t zu entwerfen, um die Nachteile des Prototyps zu beheben.
Neben einer erhöhten mechanischen StabilitĂ€t, ermöglicht der RoboTrainer v2 eine Anpassung seiner GrundflĂ€che. Dieses spezifische Merkmal der Smarten Rollatoren dient vor allem dazu, die UnterstĂŒtzungsflĂ€che fĂŒr den Benutzer anzupassen. Das ermöglicht einerseits ein agiles Training mit gesunden Personen und andererseits Rehabilitations-Szenarien bei Menschen, die körperliche UnterstĂŒtzung benötigen.
Der Regelungsansatz fĂŒr den RoboTrainer v2 erweitert den Admittanzregler des Prototypen durch drei adaptive Strategien. Die erste ist die Anpassung der SensitivitĂ€t an die Eingabe des Nutzers, abhĂ€ngig von der StabilitĂ€t des Nutzer-Rollater-Systems, welche Schwankungen verhindert, die dann passieren können, wenn die HĂ€nde des Nutzers versteifen. Die zweite Anpassung beinhaltet eine neuartige nicht-lineare, geschwindigkeits-basierende Ănderung der Admittanz-Parameter, um die Wendigkeit des Rollators zu erhöhen. Die dritte Anpassung erfolgt vor dem eigentlichen Training in einem Parametrierungsprozess, wo nutzereigene InteraktionskrĂ€fte gemessen werden, um individuelle Reglerkonstanten fein abzustimmen und zu berechnen.
Die Regelungsaktionen sind VerhaltensĂ€nderungen des GerĂ€tes, die als Bausteine fĂŒr unterstĂŒtzende und herausfordernde Trainingseinheiten mit dem RoboTrainer dienen. Sie nutzen das virtuelle Kraft-Feld-Konzept, um die Bewegung des GerĂ€tes in der Trainingsumgebung zu beeinflussen. Die Bewegung des RoboTrainers wird in der Gesamtumgebung durch globale oder, in bestimmten Teilbereichen, durch rĂ€umliche Aktionen beeinflusst. Die Regelungsaktionen erhalten die Absicht des Nutzers aufrecht, in dem sie eine unabhĂ€ngige Admittanzdynamik implementieren, um deren Einfluss auf die Geschwindigkeit des RoboTrainers zu berechnen. Dies ermöglicht die entscheidende Trennung von ReglerzustĂ€nden, um wĂ€hrend des Trainings passive und sichere Interaktionen mit dem GerĂ€t zu erreichen.
Die oben genannten BeitrÀge wurden getrennt ausgewertet und in zwei Studien mit jeweils 22 bzw. 13 jungen, gesunden Erwachsenen untersucht. Diese Studien ermöglichen einen umfassenden Einblick in die ZusammenhÀnge zwischen unterschiedlichen FunktionalitÀten und deren Einfluss auf die Nutzer. Sie bestÀtigen den gesamten Ansatz, sowie die gemachten Vermutungen im Hinblick auf die Gestaltung einzelner Teile dieser Arbeit.
Die Einzelergebnisse dieser Arbeit resultieren in einem neuartigen ForschungsgerĂ€t fĂŒr physische Mensch-Roboter-Interaktionen wĂ€hrend des Trainings mit Erwachsenen. ZukĂŒnftige Forschungen mit dem RoboTrainer ebnen den Weg fĂŒr Smarte Rollatoren als Hilfe fĂŒr die Gesellschaft im Hinblick auf den bevorstehenden demographischen Wandel
The 2nd International Electronic Conference on Applied Sciences
This book is focused on the works presented at the 2nd International Electronic Conference on Applied Sciences, organized by Applied Sciences from 15 to 31 October 2021 on the MDPI Sciforum platform. Two decades have passed since the start of the 21st century. The development of sciences and technologies is growing ever faster today than in the previous century. The field of science is expanding, and the structure of science is becoming ever richer. Because of this expansion and fine structure growth, researchers may lose themselves in the deep forest of the ever-increasing frontiers and sub-fields being created. This international conference on the Applied Sciences was started to help scientists conduct their own research into the growth of these frontiers by breaking down barriers and connecting the many sub-fields to cut through this vast forest. These functions will allow researchers to see these frontiers and their surrounding (or quite distant) fields and sub-fields, and give them the opportunity to incubate and develop their knowledge even further with the aid of this multi-dimensional network
Homeostatic action selection for simultaneous multi-tasking
Mobile robots are rapidly developing and gaining in competence, but the potential
of available hardware still far outstrips our ability to harness. Domain-speciïŹc
applications are most successful due to customised programming tailored to a
narrow area of application. Resulting systems lack extensibility and autonomy,
leading to increased cost of development.
This thesis investigates the possibility of designing and implementing a general
framework capable of simultaneously coordinating multiple tasks that can be added
or removed in a plug and play manner. A homeostatic mechanism is proposed for
resolving the contentions inevitably arising between tasks competing for the use of
the same robot actuators.
In order to evaluate the developed system, demonstrator tasks are constructed to
reach a goal location, prevent collision, follow a contour around obstacles and
balance a ball within a spherical bowl atop the robot.
Experiments show preliminary success with the homeostatic coordination mechanism
but a restriction to local search causes issues that preclude conclusive evaluation.
Future work identiïŹes avenues for further research and suggests switching to a
planner with the sufïŹcient foresight to continue evaluation."This work was supported by the Engineering and Physical Sciences Research Council
[grant number EP/K503162/1]." -- Acknowledgement
Modelling, Simulation and Data Analysis in Acoustical Problems
Modelling and simulation in acoustics is currently gaining importance. In fact, with the development and improvement of innovative computational techniques and with the growing need for predictive models, an impressive boost has been observed in several research and application areas, such as noise control, indoor acoustics, and industrial applications. This led us to the proposal of a special issue about âModelling, Simulation and Data Analysis in Acoustical Problemsâ, as we believe in the importance of these topics in modern acousticsâ studies. In total, 81 papers were submitted and 33 of them were published, with an acceptance rate of 37.5%. According to the number of papers submitted, it can be affirmed that this is a trending topic in the scientific and academic community and this special issue will try to provide a future reference for the research that will be developed in coming years
Advances in Human-Robot Interaction
Rapid advances in the field of robotics have made it possible to use robots not just in industrial automation but also in entertainment, rehabilitation, and home service. Since robots will likely affect many aspects of human existence, fundamental questions of human-robot interaction must be formulated and, if at all possible, resolved. Some of these questions are addressed in this collection of papers by leading HRI researchers
Mobile Robots Navigation
Mobile robots navigation includes different interrelated activities: (i) perception, as obtaining and interpreting sensory information; (ii) exploration, as the strategy that guides the robot to select the next direction to go; (iii) mapping, involving the construction of a spatial representation by using the sensory information perceived; (iv) localization, as the strategy to estimate the robot position within the spatial map; (v) path planning, as the strategy to find a path towards a goal location being optimal or not; and (vi) path execution, where motor actions are determined and adapted to environmental changes. The book addresses those activities by integrating results from the research work of several authors all over the world. Research cases are documented in 32 chapters organized within 7 categories next described
Contributions to shared control and coordination of single and multiple robots
Lâensemble des travaux prĂ©sentĂ©s dans cette habilitation traite de l'interface entre un d'un opĂ©rateur humain avec un ou plusieurs robots semi-autonomes aussi connu comme le problĂšme du « contrĂŽle partagĂ© ».Le premier chapitre traite de la possibilitĂ© de fournir des repĂšres visuels / vestibulaires Ă un opĂ©rateur humain pour la commande Ă distance de robots mobiles.Le second chapitre aborde le problĂšme, plus classique, de la mise Ă disposition Ă lâopĂ©rateur dâindices visuels ou de retour haptique pour la commande dâun ou plusieurs robots mobiles (en particulier pour les drones quadri-rotors).Le troisiĂšme chapitre se concentre sur certains des dĂ©fis algorithmiques rencontrĂ©s lors de l'Ă©laboration de techniques de coordination multi-robots.Le quatriĂšme chapitre introduit une nouvelle conception mĂ©canique pour un drone quadrirotor sur-actionnĂ© avec pour objectif de pouvoir, Ă terme, avoir 6 degrĂ©s de libertĂ© sur une plateforme quadrirotor classique (mais sous-actionnĂ©).Enfin, le cinquiĂšme chapitre prĂ©sente une cadre gĂ©nĂ©ral pour la vision active permettant, en optimisant les mouvements de la camĂ©ra, lâoptimisation en ligne des performances (en terme de vitesse de convergence et de prĂ©cision finale) de processus dâestimation « basĂ©s vision »
Generating timed trajectories foran autonomous robot
Tese de Doutoramento Programa Doutoral em Engenharia ElectrĂłnica e ComputadoresThe inclusion of timed movements in control architectures for mobile navigation has
received an increasing attention over the last years. Timed movements allow modulat-
ing the behavior of the mobile robot according to the elapsed time, such that the robot
reaches a goal location within a specified time constraint. If the robot takes longer
than expected to reach the goal location, its linear velocity is increased for compen-
sating the delay. Timed movements are also relevant when sequences of missions are
considered. The robot should follow the predefined time schedule, so that the next
mission is initiated without delay. The performance of the architecture that controls
the robot can be validated through simulations and field experiments. However, ex-
perimental tests do not cover all the possible solutions. These should be guided by a
stability analysis, which might provide directions to improve the architecture design
in cases of inadequate performance of the architecture.
This thesis aims at developing a navigation architecture and its stability analysis
based on the Contraction Theory. The architecture is based on nonlinear dynamical
systems and must guide a mobile robot, such that it reaches a goal location within a
time constraint while avoiding unexpected obstacles in a cluttered and dynamic real
environment. The stability analysis based on the Contraction Theory might provide
conditions to the dynamical systems parameters, such that the dynamical systems are
designed as contracting, ensuring the global exponential stability of the architecture.
Furthermore, Contraction Theory provides solutions to analyze the success of the mis-
sion as a stability problem. This provides formal results that evaluate the performance
of the architecture, allowing the comparison to other navigation architectures.
To verify the ability of the architecture to guide the mobile robot, several experi-
mental tests were conducted. The obtained results show that the proposed architecture
is able to drive mobile robots with timed movements in indoor environments for large
distances without human intervention. Furthermore, the results show that the Con-
traction Theory is an important tool to design stable control architectures and to
analyze the success of the robotic missions as a stability problem.A inclusão de movimentos temporizados em arquitecturas de controlo para navegação
mĂłvel tem aumentado ao longo dos Ășltimos anos. Movimentos temporizados permitem
modular o comportamento do robĂŽ de tal forma que ele chegue ao seu destino dentro de
um tempo especificado. Se o robĂŽ se atrasar, a sua velocidade linear deve ser aumen-
tada para compensar o atraso. Estes movimentos são também importantes quando se
consideram sequĂȘncias de missĂ”es. O robĂŽ deve seguir o escalonamento da sequĂȘncia,
de tal forma que a prĂłxima missĂŁo seja iniciada sem atraso. O desempenho da arqui-
tectura pode ser validado atravĂ©s de simulaçÔes e experiĂȘncias reais. Contudo, testes
experimentais nĂŁo cobrem todas as possĂveis soluçÔes. Estes devem ser conduzidos por
uma anålise de estabilidade, que pode fornecer direcçÔes para melhorar o desempenho
da arquitectura.
O objectivo desta tese é desenvolver uma arquitectura de navegação e analisar a sua
estabilidade através da teoria da Contracção. A arquitectura é baseada em sistemas
dinĂąmicos nĂŁo lineares e deve controlar o robĂŽ mĂłvel num ambiente real, desordenado
e dinùmico, de tal modo que ele chegue à posição alvo dentro de uma restrição de
tempo especificada. A anålise de estabilidade baseada na teoria da Contracção pode
fornecer condiçÔes aos parùmetros dos sistemas dinùmicos de modo a desenha-los como
contracçÔes, e assim garantir a estabilidade exponencial global da arquitectura. Esta
teoria fornece ainda soluçÔes interessantes para analisar o sucesso da missão como um
problema de estabilidade. Isto providencia resultados formais que avaliam o desem-
penho da arquitectura e permitem a comparação com outras arquitecturas.
Para verificar a habilidade da arquitectura em controlar o robĂŽ mĂłvel, foram con-
duzidos vĂĄrios testes experimentais. Os resultados obtidos mostram que a arquitectura
proposta Ă© capaz de controlar robĂŽs mĂłveis com movimentos temporizados em ambi-
entes interiores durante grandes distùncias e sem intervenção humana. Além disso,
os resultados mostram que a teoria da Contracção é uma ferramenta importante para
desenhar arquitecturas de controlo eståveis e para analisar o sucesso das missÔes efec-
tuadas pelo robĂŽ como um problema de estabilidade.Portuguese Science and Technology Foundation (FCT) SFRH/BD/68805/2010